DE2509594C2 - Behälter - Google Patents

Description

Dir Erfindung betrifft einen aufrecht stehenden, zylindrischen Behälter aus glasfaserverstärktem Kunststoff gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei einem aus der US-PS 35 24 780 bekannten Behälter (Fig. 23) ist an den Rand des Behälterbodens ein radialer Flansch nach Art eines umlaufenden Zahnkranzes angeheftet Die zylindrische Behälterwand steht auf dem Flansch auf, ohne den Rand des Behälterbodens zu berühren. Der entstehende Ringspalt ist mit Kunststoffmasse ausgegossen. Die Festigkeit der Verbindung des Behälterbodens mit dem Behältermantel ist ausschließlich durch die Haftung der Kunststoffmasse am Behälterboden einerseits und am Behältermantel andererseits bestimmt Der schmale Bereich, in dem die Kunststoffmasse auch auf dem Flansch haftet, ist hierbei vernachlässigbar. Die Halterung in Form eines Betonringes, der mit Ankerbolzen auf dem Fundament festgelegt ist, übergreift den Flansch und stützt sich auf seiner Oberseite ab. Gleichzeitig liegt die Halterung an der Außenseite des Behältermantels an. Der Behälter wird auf diese Weise über den Flansch und dessen Haftbereich am Rand des Behälterbodens und weiterhin durch die Haftung der Kunststoffmasse am Fundament gehalten. Bei in horizontaler Richtung erfolgenden Erdstößen tritt an einer Umfangshälfte des Behälters eine gegen das Fundament gerichtete Druckkraft auf, während in der anderen Umfangshälfte eine im Sinne eines Abhebens des Behälters vom Fundament auftretende Kraft entsteht In beiden Fällen werden die Haftflächen der Kunststoffmasse extrem auf Abscheren beansprucht, wobei die Halterung nur den Teil der Abhebekräfte aufnimmt, der über den Haftbereich zwischen dem Behälterboden und dem Flansch in letzteren eingeleitet wird. Die Druckbelastungen werden hingegen vom ßohältermantel direkt auf den Flansch übertragen, wodurch gerade der Behältermantel starken Stauchbelastungen unterworfen wird. Diese Art der Verbindung des Behälterbodens mit dem Behältermantel und die Festlegung am Fundament mit Hilfe des nur angehafteten Flansches ist insbesondere bei Aufstellung des Behälters in geographischen Gebieten mit häufigen Erdbewegungen riskant Bei groQvolumigen Behältern mit schwerer Füllmasse bewirken horizontale Erdbewegungen Belastungen im Behälterbodenbereich, bei denen diese Art der Verbindung bei weitem überfordert ist Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die Halterung unmittelbar am Behältermantel anliegt, so daß die infolge des hydrostatischen Innendrucks bei gefülltem Behälter und insbesondere bei Erdbewegungen auftretenden und radial nach außen gerichteten Kräfte den Behältermantel nur oberhalb der Halterung nach außen verformen können, während er in dem schmalen Bereich der Halterung daran gehindert wird. Die Folge ist daß in der Höhe der Oberseite der Halterung im Behältermantel extreme Scherbeanspruchungen auftreten, die unterstützt durch die Kerbwirkung des Halterungsrandes sehr schnell zu Beschädigungen des Behältermantels führen. Bekanntlich ist gerade glasfaserverstärkter Kunststoff sehr empfindlich gegen Scher-und Kantbeanspruchungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

Behälter der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Verbindung zwischen dem Behälterboden und dem Behältermantel in die Lage versetzt wird, sowohl hohe Belastungen bei horizontalen Erdstößen als auch hohe radiale Kräfte durch den s hydrostatischen Druck des im Behälter gespeicherten Gutes zuverlässig aufzunehmen und in das Fundament einzuleiten.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches ι ο angegebenen Kierkmale gelöst.

Hiermit wird eine fonmschlüssige Verbindung zwischen dem Behältermantel und der Halterung geschaffen, über die im besonderen die AushebekräFte, die bei horizontalen Erdstößen auf den Behälter einwirken, unmittelbar vom Behältermantel ab- und in das Fundament eingeleitet werden. Die Versteifungsteile bewirken dabei eine Verteilung dieser Belastungen, so daß auch der eigentliche Bodenflansch belastet wird und keine Belastungsspitzen im Behältermantel auftreten, die ein frühzeitiges Ermüden oder einen Bruch desselben herbeiführen könnten. Die Versteifungsteile tragen ferner dazu bei, daß zwischen dem Bodenfiansch und der oberen Flanschanordnung ein gestaltfester Verbund entsteht, der nicht nur den Behälter im Bodenbereich versteift, sondern gerade zum verformungsfreien Aufnehmen auch hoher Belastungen geeignet ist Weiterhin ergibt sich, daß durch den radialen Abstand, den die Halterung zum Behältermantel einnimmt, dieser in der Lage ist, sich unter dem hydrostatischen Innendruck des im Behälter gespeicherten Gutes und auch bei den durch Erdstöße hervorgerufenen Druckimpulsen radial auszudehnen. In diesem Fall tritt dann eine Gleitbewegung zwischen der Oberseite der oberen Flanschanordnung und der unteren Seite des horizontalen Schenkels der Halterung ein, die nicht durch die Anlage des Schenkels an dem Behältermantel behindert wird.

Die Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes gerichtet.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schrägansicht eines mit einer Flüssigkeit gefüllten Behälters nach F i g. 1 vor der Einwirkung einer angedeuteten seismischen Belastung,

Fig.2 eine übertriebene Darstellung des Behälters unter Einwirkung der seismischen Belastung,

F i g. 3 eine schematisierte Darstellung der in F i g. 2 an der Behälterwandung auftretenden Kräfte,

F j g. 4 eine schematisierte Darstellung der hervorgerufenen Kippmomente,

Fig.5 eine Schrägansicht der beim Behälter von F i g. 1 vorgesehenen Verankerung,

Fig.6 eine vergrößerte Ansicht der Verankerung von F i g. 5,

Fig.7 eine Schnittansicht in der Ebene 17-17 in Fig. 6,

Fig.8 eine schematisierte Darstellung der Verankerung und der auf sie einwirkenden Kräfte, und

Fig.9 eine weitere schematisierte Darstellung der Verankerung und auf sie einwirkender Kräfte.

Ein in F i g. 1 dargestellter leerer, oben offener Behälter 10 hat einen zylindrischen Mantel 11 mit einem kreisförmigen oberen Rand 12, sowie einen auf einem Fundament 13 ruhenden, waagerechten Boden. Der zylindrische Mantel 11 hat eine Dicke i, eine Innenfläche 14 sowie eine Außenfläche 15. Ein Randflansch 16 des Bodens steht auswärts Ober die Außenfläche 15 hervor.

Ankerschrauben 18 greifen für die Befestigung des Behälters auf dem Fundament 13 an der Oberseite des Randflansches 16 an.

Der Behälter 10 besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff, der gegen Korrosion von im Behälter aufbewahrten Flüssigkeiten oder fließfähigen Massen widerstandsfähig ist Im Querschnitt weist das Material der Wandung vorzugsweise einander abwechselnde Lagen von hochfestem Glasfasergewebe und Fasermatten sowie wenigstens eine Innenlage in Form einer Deckmatte auf. Die verschiedenen Lagen sind mittels eines geeigneten Kunstharzes, etwa Polyester-, Epoxid-, Phenol-, Furfurylalkohol-, Vinylesterharz oder eines anderen Kunststoffes, stoffschlüssig miteinander verbunden. Der Behälterinhalt besteht beispielsweise aus Phosphorsäure, Salzsäure, Wein, Agrumensäften, Salzlösungen od. dgl. Da der glasfaserverstärkte Kunststoff einen ziemlich niedrigen Elastzitätsmodul von nur etwa 70 kp/mm² unter Zugspannung und etwa 88 kp/mm² unter Druckspannung hat, muß die Umt'angswand 11 des Behähers zusätzlich verstärkt werden, damit sie dem von der Standhöhe des Behälf Inhalts abhängigen Druck auf die innenfläche 14 siandzrhalten vermag. Dazu ist ein Stahlkabel mit einem größeren Elastizitätsmodul von beispielsweise etwa 148 kp/mm² mit seinem unteren Ende nahe dem Boden des Behähers verankert und i·· Schraubenlinien derart um den Behälter gewickelt, daß sich die Abstände zwischen einander benachbarten Windungen 19 von unten nach oben vergrößern. Das obere Ende des Kabel ist nahe dem oberen Ende des Behälters verankert Der Behälter 10 kann bei einem Innendurchmesser von etwa 6,10 m und einer Höhe von etwa 8,23 m eine Wandstärke von nur etwa 12,7 mm haben. Das Stahlkabel ist in Schraubenlinien ziemlich lose über die Außenfläche des Behälters aufgewickelt und dient lediglich dazu, den Radialdruck des Behälterinhalts aufzunehmen.

Der Behälter gemäß F i g. 1 muß seismischen Kräften Fj widerstehen können, welche ein Kippmoment Ms ausüben. Dabei ist (F i g. 2) davon auszugchen, ('aß sich die Summe der seismischen Kräfte F₅ aus einer ersten, vom Gewicht des Behälters abhängigen und im Mi.telpunkt desselben über dem Boden waagerecht angreifenden Kraft {Fst) und einer zweiten, waagerecht angreifenden Kraft (Fst) zusammensetzt, welche abhängig ist von der in Form eines dynamischen Impulses auf die Behälterwandung ausgeübten Belastung bei einer ruckartigen Querverschiebung des Behälterbodens und die im Schwerpunkt der Flüssigkeitsmenge wirksam wird.

Das Kippmoment (M_s) ergibt sich dann aus der Summe des Moments (Mt), das von der im Mittelpunkt (zt) des Behähers angreifenden Kraft (Fst) ausgeübt wird, und des Moments (Ml), welches von der im Sch'.· ei punkt (zl) der Flüssigkeitsmenge wirksamen Kraft (F,l) erzeugt wird.

F i g. 1 zeigt den gefüllten Behälter 10 vor Einwirkung einer Belastung. Wie Fig.2 zeigt, setzt sich die Krafl (Fs) zusammen aus einem vom Gewicht des Behälters abhängigen und in dessen Mittelpunktshöhe (z-,) angreifenden Teii (F_st) und einem zweiten Teil (F,l) der von der dynamischen Masse der Flüssigkeit abhängt und in deren Mittelpunkt (zl) zur Wirkung kommt.

Vollführt das Fundament 13 bei einer waagerecht angreifenden seismischen Kraft F₁ eine Querverschiebung, so ist die Flüssigkeit bestrebt, in Ruhe zu verharren, so daß sie der Umfangswand 11 an der »hinteren« Seite 50 einem dynamischen Impuls erteilt,

unter dem die Wand sich in der in Fig. 2 übertrieben dargestellten Weise verformt. Dadurch treten an der »vorderen« Seite 51 aufwärts gerichtete Zugspannungen und an der Seite 50 abwärts gerichtete Druckspannungen auf (Fig. 3). Es ergibt sich an der unter *, Zugspannung stehenden Seite ein aufwärts-einwärts gekrümmt verlaufendes Torsionsmoment Mriind an der unter Druckspannung stehende Seite ein abwärts-einwärts gekrümmt verlaufendes Torsionsmoment M_c (F ig. 4). ,o

Es erzeugt das Gesamtmoment M₁ zusätzlich am unteren Ende der Umfangswand eine Biegespannung.

In F-i g. 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform eines Behälters 52 dargestellt, der einen Behältcnnantel 5.3, einen Boden 54 und am unteren Teil des Behälters |-, angeordnete Verankerungsanordnung 55 aufweist. Diese besteht aus einer oberen und einer unteren Flanschanordnung 56 bzw. 58 und einer Halterung 59.

Der Behältcrmant.el 53 besteht aus einem oberen und einem unteren zylindrischen Teil 60 bzw. 6t. Bei der Wandstarke f hat das obere Teil 60 eine Innenfläche 62. eine Außenfläche 63 und einen am unteren Rand 65 radial vorstehenden ersten Flansch 64. Dieser ist mit dem Teil 60 einstückig ausgebildet und hat waagerecht verlaufende Ober- und Unterseiten 66 bzw. 68.

Das untere Teil 61 hat bei der Wandstärke 1 eine Innenfläche 69, eine Außenfläche 70, einen am oberen Rand 72 radial vorstehenden zweiten Flansch 71 und einen am unteren Rand 74 radial vorstehenden dritten Flansch 73. Die Flansche 71, 73 haben Ober- und Unterseiten 75, 78 bzw. 76, 79. Die Höhe des unteren Teils 61 beträgt vorzugsweise etwa das Sechzehn- bis Achtzehnfache der Wandstärke t.

Gemäß F i g. 7 sitzt das Teil 60 mit seinem unteren Rand 65 auf dem oberen Rand 72 des unteren Teils 61. js Die Oberseite 75 liegt der Unterseite 68 an.

Der Behälterboden 54 ist eine kreisförmige Platte, die mit der Unterseite 80 auf dem Fundament 13 aufliegt. Er hat eine waagerecht verlaufende Oberseite 81 mit einem ringförmigen Randbereich 82, der sich unter dem Flansch 73 hinaus erstreckt und außen einen Außen- und Innenflächen 85 bzw. 84 aufweisenden, aufgestellten Verstärkungsring 83 hat. Die Unterseite 79 sitzt auf der Oberseite 81 des Bodens auf. Es bilden der Flansch 73. der Rand 82 des Bodens und der aufrecht stehende Verstärkungsring 83 einen unteren Bodenflansch 58.

Die Halterung 59 setzt sich zusammen aus Überkopf stehenden Stützwinkeln 86 und im Fundament 13 befestigten und auf die Oberseiten 66 der oberen Flanschanordnung 56 einwirkenden als Zugbolzen 97 dienenden Ankerschrauben 88. Die Stützwinkel 86 haben jeweils einen waagerechten Schenkel 89, auf dessen Oberseite 90 eine Ankerschraube 88 einwirkt und dessen Unterseite 91 auf der Oberseite 66 des ersten Flansches 64 gleitfähig aufliegt, sowie einen senkrechten Stützschenkel 92, welcher mit seinem unteren Ende 93 auf dem Fundament 13 aufsitzt.

Die Ankerschrauben 88 haben jeweils einen Schaft 94, welcher mit seinem unteren Ende 95 im Fundament eingebettet ist und dessen mit einem Gewinde ω versehenes oberes Ende 96 durch eine Bohrung 98 in dem Druckschenkel 89 steht und eine Mutter 99 trägt. Die Kräfte der Muttern 99 ergeben eine Resultante F₁, sich auf die Berührungsflächen zwischen den Unterseiten 91 der Druckschenkel und dem betreffenden Teil der Oberseite 66 des erster. Rausches %'erteüt {F i g. 9). Eine zwischen den Flächen 70 und 84 und der Oberseite 78 des dritten Flansches gebildete Rinne ist mit einem Kunstharz-Sandgemisch 100 gefüllt, in welchem das Ende des Stahlkabels 101 verankert ist.

Wie F i g. 7 zeigt, sind laminierte Abdeckbänder oder -streifen 102 befestigt, um die Fugen zwischen den Teilen 60 bzw. 61 und dem Boden abzudichten.

Unter jedem Stützwinkel 86 ist eine U-förmige Versteifung 103 aus Kunststoff zwischen der Oberseite 78 des dritten Flansches und der Unterseite 76 des /weiten Flansches angeordnet, um ein örtliches Nachgeben der oberen Flanschanordnung zu verhindern. Bei der Konstruktion des Behälters 52 wird zunächst das Fassungsvermögen festgelegt, worauf dann die Verankerungseinrichtung 55 mit den notwendigen Abmessungen entworfen werden kann. Im Hinblick darauf, daß eine seismische Kraft F₁ oder eine Windlast von jeder beliebigen Richtung einwirken kann, werden die Verankerungseinrichtungen 55 so bemessen, daß sie die aufgrund der Torsionsmomente an der Stelle der größten Druckspannungen oder an der Stelle der größten Zugspannungen aultretenden zusätzlichen Biegespannungen aufzunehmen vermögen (F i g. 8,9).

Gemäß Fig.8 ist angenommen, daß sich die Biegespannungen gleichmäßig über die Dicke r verteilen, so daß sich eine in der Mitte der Wand angreifende, abwärts gerichtete Höchst-Druckbelastung/"_cergibt.

Da der Druckbelastung f_c eine aufwärts gerichtete Stützkraft F_c entgegenwirkt, welche vom Fundament aufgebracht wird, ergibt sich infolge dessen Abstand X_c das größte auf die unter Druckspannung stehende Seite einwirkende Torsionsmoment Mc·

Daher werden die oberen und unteren Flanschanordnungen 56 bzw. 58 so bemessen, daß das Zentrum Zdes polaren Trägheitsmoments I_p der oberen und der unteren Flanschanordnung und der dazwischen verlaufenden Wand im wesentlichen gleich große Abstände zu den am weitesten voneinander entfernten Fasern aufweist, d. h. zu den Punkten A und B an der oberen und den Punkten Cund Dan der unteren Flanschanordnung. Gemäß F i g. 9 verteilt sich die seismische Biegespannung an der vorderen Seite der Wand gleichmäßig über deren Dicke i, so daß sich eine in der Mitte der Wand aufwärts gerichtete maximale Zugspannung f, ergibt, der eine von den Verankerungseinrichtungen ausgeübte und an der Berührungsfläche zwischen der Oberseite 66 des ersten Flansches und der Unterseite 91 des Stützwinkels angreifende, abwärts gerichtete Haltekraft entgegen steht. Die abwärts gerichtete Resultierende F, dieser Kraft verläuft durch die Mitte der Berührungsfläche in einem Querabstand X, von der Angriffsstelle der aufwärts gerichteten Zugbelastung f,.

An der unter Zugspannung stehenden Seite tieten an den am weitesten voneinander entfernten Punkten A bis D größte Biegespannungen s, auf.

In F i g. 8 und 9 ist der wirksame Momentenarm x, an der unter Zugspannung stehenden Seite größer als der Momentenarm x_c an der unter Druckspannung stehenden Seite. Daher ist das maximale Torsionsmoment M, an der Zugseite größer als das maximale Torsionsmoment Mc an der Druckseite.

Dementsprechend ist auch die größte Biegespannung an den Punkten A, B, Cund D der Zugseite größer als an den entsprechenden Punkten der Druckseite. Dieser größere Wert ist bei der Berechnung der Verankerung zugrunde zu legen.

Daraus kann der Durchmesser ermittelt werden, auf dem die Ankerschrauben angeordnet sind und auch die Belastung pro Verankerungseinheit

Der von der Unterseite 91 des Druckschenkels auf die obere Flanschanordnung ausgeübten abwärts gerichteten Kraft F, wirkt an der gleichen Stelle eine aufwärts gerichtete Kraft l·",' gleicher Größe entgegen. Dieser einem Abstand L vom Stützschenkel 92 angreifenden Kraft wirkt wiederum eine in einem Abstand a auf die Oberseite 90 des Druckschenkels ausgeübte abwärts gerich.ue Kraft F*, entgegen. Die größte auf die Ankerschrauben ausgeübte, aufwärts gerichtete Zugkraft Fb läßt damit im Hinblick auf die in der Mitte des Stützschenkels 92 auftretenden Momente die Mindestanzahl der Ankerschrauben, ihre Abmessungen sowie ihre gegenseitigen Abstände berechnen.

Die Dicke des ersten, zweiten und dritten Flansches 64, 71 bzw. 73 und des Randes 82 des Bodens in senkrechter Richtung sowie die Dicke des Randsteges 83 in radialer Richtung ist vorzugsweise I.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Aufrecht stehender, zylindrischer Behälter aus glasfaserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Flüssigkeiten oder fließfähige Medien, mit einem auf einem Fundament ruhenden Behälterboden, der mit dem Behälterboden verbunden ist, ferner mit einem im Bereich des Behälterbodens radial nach außen to ragenden und auf dem Fundament aufliegenden Bodenflansch, auf den eine im Querschnitt umgekehrt L-förmige Halterung mit einem horizontalen Schenkel einwirkt, und mit im Fundament verankerten Zugbolzen, die an der Halterung angreifen und is die Halterung auf dem Fundament festlegen, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand oberhalb des einen Randbereich (82) des Behälterbodens enthaltenden Bodenflansches (58) eine weitere, mit dem Behältermantel (53) baulich vereinigte, radiale P'anschanordnung (56) vorgesehen ist, auf deren hof/zontaler Oberseite der horizontale Schenkel (89) der Halterung (59) mit radialem Abstand zum Behältermantel aufliegt und daß zwischen der Flanschanordnung (56) und dem Bodenflansch (58) in vertikaler Richtung wirksame Versteifungsteile (103) eingesetzt sind.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behältermantel (53) im Bodenbereich aus zylindrischen Teilen (60,61) zusammengesetzt ist, daß ein oberer zylindrischer Teil (60) einen ersten, ar seinem unteren Rand (65) radial nach außen vorspringenden Flansch (64) besitzt, daß der benachbarte, untere zylindt »sehe Teil (61) an seinem oberen Rand (72) einen zweiten und an seinem unteren Rand (74) einen drit.· -n, jeweils radial nach außen vorspringenden, Flansch (71; 73) besitzt, wobei der obere Teil (60) auf den unteren Teil (61) aufgesetzt ist und der erste und zweite Flansch (64, 71) die von der Halterung beaufschlagte Flanschen-Ordnung (56) bilden, während der untere Rand des unteren Teils (61) auf einem ringförmigen Randbereich (82) des Behälterbodens (54) aufsteht und der dritte Flansch (73) mit dem Randbereich (82) des Behälterbodens unter Bildung des Bodenflansches (58) auf dem Fundament (13) ruht.

3. Behälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (59) einen vertikalen Schenkel (92) zum Abstützen auf dem Fundament (13) und den horizontalen Schenkel (89) zur Auflage auf der Flanschanordnung (56) aufweist, wobei sich der Zugbolzen (97) an der Oberseite (90) des horizontalen Schenkels (89) abstützt.

4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (59) aus einer Vielzahl gleichmäßig um den Behälterumfang verteilter Winkelstücke besteht, von denen jedes mit mindestens einem Zugbolzen (97) am Fundament (13) festgelegt ist.

5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb jedes der Halterung (59) angehörenden Winkelstücks mindestens ein Versteifungsteil (103) vorgesehen ist.

6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Bodenflansches (58) am ringförmigen Randbereich (82) ein lotrecht stehender Verstärkungsring (83) angeformt ist, der mit radialem Abstand und konzentrisch zum Behältermantel (53) verläuft